水工隧洞穿越煤矿采空区处理措施的研究与应用

任琴雪 牛鹏飞

（1.山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024；2.山西省黄河万家寨水务集团有限公司 山西太原 030012）

1 概述

1.1 工程概况

万家寨引黄北干线工程从黄河万家寨水库引水，满足平鲁、朔州、山阴、怀仁以及大同市的城市及生活用水，为关系国计民生的国家重点工程。引黄北干线工程输水线路全长156.67 km，主要建筑物有隧洞、倒虹、调节水库及地下泵站等。1#隧洞按输水流量22.2 m3/s建设，1#隧洞总长43.67 km，其穿越虎头山，通过多家煤矿采空区，在平鲁区中沟湾北岸坡脚处出口。

1#隧洞下段约25 km采用TBM施工，预制钢筋混凝土管片衬砌，其出口段长约13 km，沿线的地质条件较复杂，围岩为砂岩、砂质泥岩及煤层，裂隙发育，其中III类围岩约占38.8%，IV类围岩约占25.4%，V类围岩约占35.8%。洞线从若干地方煤矿区的间隙中通过，5次穿过煤层，穿煤层区段累计长3.8 km，部分洞段还在煤矿采空区上方通过。

1.2 隧洞穿越煤矿采空区

针对隧洞穿越煤矿采空区问题，首先做了详细的地质勘察工作，勘察中采用了地质调查访问、井下测量、地面综合物探、钻孔验证、地面变形监测、岩层移动变形监测等技术手段，找到煤矿采空区间的稳定区段，调整隧洞走向，解决了隧洞大部分地段的稳定问题。隧洞出口段，无法通过隧洞线路的调整避开采空区，此段为崔家岭煤矿采空区，采空区处于隧洞以下，深约200 m（地面以下），塌陷变形的裂隙带处于地表以下120 m左右，并逐渐向地面发展。1#隧洞位于地面以下50 m左右。

1#隧洞施工过程中，在施工营地（位于1#隧洞轴线南侧，距离大于200 m）发生地面沉降，导致许多房屋产生裂缝，致使该营地被迫搬迁，充分证明采空区所引起的地层塌陷变形是存在并发展的，且会对隧洞的安全造成严重影响。

1.3 采取措施

为避免隧洞发生突发性变形，确保工程运行安全，对影响隧洞安全的崔家岭煤矿采空区采取了工程处治措施加特殊的结构措施。

2工程处治措施——采空区注浆

目前国内尚无水工隧洞通过煤矿采空区的先例，设计根据国内高速公路采空区处理的经验选用注浆法，并结合本工程实际情况进行。

工程处治措施，即对影响隧洞安全的煤矿采空区采取注浆法，通过钻孔、注浆，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及上覆岩体变形裂缝中，浆液形成的结石体对上覆岩层形成支撑，防止煤矿采空区的沉陷变形，保证隧洞安全。

由于1#隧洞出口段煤矿采空区布置较复杂，实际调查的采空区、空洞区，物探探测的采空区、塌陷区分布都不是很明显，处治方法和处治工程量存在不确定性，为了保证工程质量，整体工程施工前，在前期物探、勘察及现场收集资料的基础上，各选一处空洞区和塌陷区，作为试验区，进行现场注浆试验，确定合理的灌浆参数，包括孔位、孔距、水灰比、注浆压力、注浆时间及间隙时间等。试验区为后续整体工程施工提供了技术支持，设计根据试验结果修改了技术要求。

2.1 灌浆工程设计

2.1.1 处治范围

采空区处治的范围包括处治长度、宽度和深度，根据采空区的分布、埋藏深度以及上覆岩性等因素确定。

1）处治长度:沿隧洞轴线方向1 132 m，为下伏采空区的实际长度及覆岩移动影响范围之和。

2）处治宽度:垂直隧洞轴线方向，隧洞轴线两侧各65 m，由隧洞宽度、围护带宽度、采空区覆岩移动的影响宽度三部分组成。采空区处治理宽度计算简图见图1。

采空区上覆岩层移动影响角的选取。采空区覆岩移动的影响范围与矿山开采方式、回采率、开采深厚比、覆岩的软硬程度以及矿山开采时间有关。本工程采空区覆岩为二叠纪砂岩、砂质泥岩，属中硬覆岩，采区回采率35%～40%，参考《采空区公路设计与施工技术细则》基岩移动影响角为80°～85°，考虑各种因素，参考山西以往公路工程采空区处治经验，选取基岩移动影响角为80°，松散层移动角取值为55°。

图1 采空区处治宽度计算简图

3）处理深度:为确保隧洞安全，采空区处理深度为采空区之上至输水隧洞顶高程以上20 m（与两侧的围护带宽度相一致，并大于隧洞围岩厚度即3倍开挖洞径），之下至采空区底板以下3 m。

2.1.2 灌浆孔与检查孔的布置

1）灌浆孔

采空区处理范围边缘一圈布置边缘帷幕孔即封边孔，以防浆液大量流失；处理范围内部布置注浆孔。灌浆孔内包含取芯孔，取芯孔的数量为5%。考虑灌浆的目的是保护输水隧洞的安全，因此孔位的布设原则:隧洞附近较密，向两侧逐渐较疏。

排距:隧洞两侧第一排注浆孔距离隧洞中心线为7 m，第二排距离第一排18 m，第三排、第四排排距均为20 m，最外侧封边孔距离隧洞中心线距离为65 m。

孔距:第一排为13 m，第二、第三、第四排孔距均为20 m，按三角形布设。

2）检查孔

检查孔为检测灌浆质量而设，孔位布置在脱空较大、串浆孔集中的地方，设置检查孔的数量为灌浆孔总数的5%，均为取芯孔。

2.1.3 钻孔、注浆

采空区灌浆工程，主要工序包括钻孔、封孔、制浆、注浆等。钻孔、注浆均分序次间隔进行，分三个序次，按一、二、三序孔依次进行，后序孔的注浆孔选择在前序孔注浆结束一周后的邻边。一序孔包括取芯孔、测试孔和外围孔，外围孔采用跳打法进行，外围孔水固比选用1∶1.1的浆液，二、三序孔水固比选1∶1.0的浆液，因为该孔除充填本区域内的空洞裂隙外，还应增大浆液扩散半径，来补充邻孔注浆后，由于浆液结石后出现的20%左右的空洞体积以及未连通的裂隙。

1）钻孔

钻孔深度深入采空区底板或4#煤层底板以下3 m，不得超过设计孔深5 m以上，如仍未见煤层即可终孔。

每个钻孔应测斜，终孔孔斜要求不超过1°。距离隧洞较近的钻孔，要精确定位，钻孔快达隧洞洞顶高程时对孔斜情况进行量测，确保隧洞安全。

钻孔过程应详细记录，做好钻探原始记录和岩芯编录工作。钻孔分为三种类型:

（1）掉钻空区孔:钻进具有明显掉钻（掉钻深度大于0.5 m）、且漏水严重的钻孔；

（2）冒落裂隙区孔:掉钻不明显、但漏水严重、钻探中有较大碎石响声、甚至有卡钻现象的钻孔；

（3）完整孔:钻孔不漏水（或漏水很少）、钻进平稳的钻孔。

2）制浆

（1）注浆材料:注浆浆液主要为水泥粉煤灰浆。对原材料要求如下:

①水的pH大于4；

②水泥标号不应低于32.5号，优先选用矿渣水泥；

③粉煤灰要符合国家二、三级的质量标准；

④砂:采用天然砂，粒径不大于2.5 mm，有机物含量不大于3%；

⑤石屑或矿渣:可根据空洞和裂隙宽度及现场试验选择填充骨料，但粒径不大于10 mm，有机物含量不大于3%；

⑥水玻璃:模数 2.4～3.4，浓度 50°Be＇以上。

（2）材料配比:

水泥粉煤灰浆的水固比（重量比）按 1∶1.0～1∶1.1控制，固相比即水泥:粉煤灰按2∶8进行，施工中各类浆液必须搅拌均匀。

3）注浆

本采空区为单层，施工一次成孔，孔口封闭，自下而上，一次全灌注，各孔注浆前先用清水冲洗钻孔不小于10 min，再根据钻孔类型，采用相应注浆方案。

（1）掉钻空区孔:用1∶1.0的浆液加砂、并伴以间歇注浆；

（2）冒落裂隙孔:用 1∶1.0 或 1∶1.1 的浆液、并伴以间歇注浆；

（3）完整孔:用 1∶1.0 的浆液注浆；

（4）一序孔的外围孔和孔内有水的孔，选用1∶1.1浆液注浆。

4）注浆结束标准

当吸浆量小于70L/min时，孔口压力在1.5～2.5MPa，稳定10～15 min；或注浆孔周围有冒浆现象出现，可结束该孔注浆施工。

5）封孔

所有钻孔注浆结束后，采用水泥砂浆封填密实，并将孔口压抹平整。

2.2 质量检测

采空区治理灌浆质量的检测项目，包括孔内波速测试、浆液结石体的抗压强度测试和变形监测等，灌浆结束6个月后，进行钻孔检验。

质量检测控制指标:

1）注浆浆液的充填率不小于80%；

2）浆液结石体无侧限抗压强度平均值大于1.0MPa、最小值不小于0.6 MPa；

3）检测过程中，钻探循环液基本不漏失；

4）质量检测孔内的注浆量小于该区单孔平均注浆量的10%；

5）灌浆后钻孔波速测试，纵波大于2 500 m/s。

检测结果:

1）注浆前后对钻孔检查情况分析:注浆前钻孔浆液漏失量大，且不返水；注浆后钻孔浆液漏失较小，耗水量小；

2）质量检测孔内的注浆量均小于该区单孔平均注浆量的10%；

3）质量检测孔在钻孔过程中均取到浆液结实体，通过检验结实体的抗压强度值均大于1.0 MPa；

4）注浆前后钻孔电磁波CT测试结论:测试深度为从孔底向上延伸100 m，测试范围内注浆后较注浆前电磁波吸收系数降低0%～20%，个别区域达到20%以上，综合分析注浆后地层完整性较好；

5）注浆后钻孔摄影监测可见到结实体；

6）注浆后超声波测试，满足纵波波速均大于2 500 m/s要求。

由以上质量监测结果推测，采空区治理工程满足设计要求。

3 结构措施——隧洞内穿PCCP

3.1 采取结构措施的原因

1#隧洞下段采用TBM施工，衬砌型式为六边形蜂窝状预制钢筋混凝土管片衬砌，管片与围岩之间的空隙用豆砾石充填并进行回填灌浆，这种衬砌型式能够较好地适应微小而连续的变形。考虑到水工隧洞通过煤矿采空区在国内尚无工程先例，对采空区进行工程处治措施，能否做到全面、彻底和无遗漏还不能说有绝对把握，万一隧洞出现超出预期的变形、或者发生非连续的集中变形，将会使TBM管片接头处开裂宽度超过预期。而如果管片接缝处出现了大的开裂没有及时发现，或发现后没有充足的反应时间停水检修，将造成洞内水量集中渗漏；渗漏量较大、且渗流通道同煤矿的巷道和采掘工作面沟通时，可能造成煤矿透水事故，引起人员人身伤亡。

为确保工程万无一失，经过慎重考虑和多方论证，对1#隧洞通过煤矿采空区的设计方案进行了更深入的研究，特别是参考了国内、外在易发生沉降变形的隧（涵）洞内铺设输（泄）水管道的成功经验，如非岩石地基上的坝下埋管等工程案例，重点研究了在空间有限的隧洞内埋设大口径管道的施工技术问题、洞内埋管后的过水能力问题、洞内管道在隧洞发生变形后的受力状态问题、以及管道如何适应隧洞变形等问题。最终确定，对隧洞通过煤矿采空区洞段再采取特殊的结构措施，以确保万一发生较大变形而漏水时，不致产生严重后果。

3.2 结构措施比选

特殊结构措施可以分为两个方面，一是结构加强措施，另一个是结构后备措施。可供考虑的结构加强措施包括现浇钢筋混凝土衬砌、钢板衬砌；结构后备措施在隧洞内安装预应力钢筒混凝土管（PCCP）。

根据目前国内高速公路建设处理采空区的经验，经过注浆处理后，采空区上方地面变形是连续变形，沉降幅度不大，据观测资料，一般不超过50 mm。采空区进行工程处治的目的，一方面是要防止采空区塌陷形成的大的地面下沉，同时要消除非连续的突变变形。经过工程处治措施后，由于灌浆浆体的凝结收缩、徐变和压缩变形等原因，产生少量的地面下沉是难以避免的。因此，对于相互独立的地面建筑物（如楼房），或者埋深不大的地下构筑物，在合理控制其长高比的前提下，采取特殊结构（如分缝）措施以加强自身强度和刚度，可以保证在地面变形的情况下维持自身的稳定；但在埋深较大的情况下、特别是隧洞和管道这样的连续构筑物，加强结构刚度不仅需要付出较大代价，而且难于通过计算确定。况且在拉伸变形量很大的情况下，容易损坏止水材料，仅仅加强结构刚度还不能解决问题。基于上述分析，设计不考虑提高结构强度的加强措施，所以，现浇混凝土衬砌和钢板衬砌的方法不采用。

根据国内外工程实践，在易发生沉降变形的地基上铺设输（泄）水管道，如在非岩石地基上的坝下埋管时，采用在能够较好地抵抗外力涵洞内，铺设有较好适应变形能力的管道、且便于检修的方法，是一个好的解决方案。而PCCP即具有较好的适应地基变形的能力，特别是采用深接头的PCCP，既可以通过接头的伸缩来适应纵向的伸长变形，也可以通过接头偏转来适应横向的转动变形。据了解，国外已有在土坝下埋设深接头PCCP的工程实例。因此，采取隧洞内安装深接头的PCCP，作为结构后备措施，可以最大限度的保证在出现较大的连续变形时不致很快出现严重的漏水现象，为停水检修赢得宝贵的时间，确保不会引发其它安全事故。隧洞内安装大口径PCCP在引黄工程联接段已经取得了成功，因此，本工程采取隧洞内穿PCCP结构后备措施。

3.3 隧洞内穿PCCP

隧洞TBM衬砌后内径为4.14 m，采用专用运管车进行隧洞内PCCP运输、安装和灌浆施工，PCCP选用内径3 200 mm。PCCP与隧洞之间空隙，首、末节采取全断面填充混凝土进行封堵，且密实不漏水；中间段仅对管底45°范围填充混凝土，对PCCP进行支撑作用。隧洞内穿PCCP管标准横剖面见图2。

图2 隧洞内穿PCCP管标准横剖面图

4 变形监测

在1#隧洞施工前、施工中和运行期，对影响1#隧洞的煤矿采空区均进行了变形监测，目的是为工程设计提供可靠的基础数据。监测工作有:地表变形监测和岩层移动监测。监测时间从2005年10月开始（2004年5月开始施工），截止隧洞运营后三年2014年10月5日止，历经近10年的时间，进行了不间断的观测，获得了大量的观测数据，对1#隧洞的安全施工和顺利运行提供了重要的参考资料。

4.1 地表变形监测

地表变形监测分水平位移监测和垂直位移监测两部分，近十年，共完成了41次垂直位移变形监测和18次水平位移监测工作。

地表变形监测结果:整体沉降量不大，垂直沉降值在允许误差±5.6 mm范围，水平沉降值在允许误差±17 mm范围，沉降值的变化大都随季节、随温度变化，呈波浪式，个别点存在突变情况，最大下沉量-25.9 mm，位于隧洞出口段崔家岭煤矿采空区。

从地表变形监测成果分析，近十年的监测，涉到的四个采空区变形量基本较小，尤其是洞线中轴的点变化都不大，而且岩移变形监测也映证了这一点。

变形原因分析:采空区土质是湿陷性黄土，受季节因素影响大；个别监测点的埋设位置靠近铁路、公路，引起一定的变形；变形是局部变形，非采空区整体沉降变形。另外在采空区钻孔、灌浆施工过程中，可能对监测点也造成了扰动，使得个别点监测数据突变。

4.2 岩层移动监测

岩层移动监测主要是利用多点位移计对已确定的煤矿采空区进行岩移变形监测。本工程在已确定的1#和2#采空区（编号为CKQ1、CKQ2）内安装了4套六点式多点位移计，其中每个采空区两套，分别布设于采空区的沉降中心和边缘位置。依采空区编号次序将四套多点位移计分别编号为CKQ11、CKQ12和CKQ21、CKQ22。变形监测结果:

两个采空区的地表均产生了不同程度的下沉，但总体下沉量较小。地表变形观测量分别为:CKQ11为9.8 mm；CKQ12为 5.8 mm；CKQ21为 1.8 mm；CKQ22为3.6 mm。

四套多点位移计的24个锚头均表现为下沉变形，锚头位于洞轴线以下75 m范围，其中各套位移计的最大变形位置及变形量分别为:CKQ11最大沉降量为1号锚头14.3 mm；CKQ12最大沉降量为5号锚头8.3 mm；CKQ21最大沉降量为 5号锚头 4.2 mm；CKQ22最大沉降量为1号锚头6.0 mm。

监测成果分析:从整体的变形量来看，虽然该采空区产生了一定的沉降变形，但总体变形量较小，仍限于毫米级（沉降量占地层厚度小于0.01%），期间也未发生局部性坍塌或突变现象，所以认为本区岩移变形仍局限于蠕变类的变形，整体处于稳定状态；尽管该采空区区块未产生大的沉陷变形，但观测结果表明该区仍产生了整体性的沉降变形，且多数是深部变形大于地表变形，从而表明该变形机制来源于地下采空。

在进行变形监测的同时，还派专人对采空区监测范围进行了巡视、查勘，未发现有明显的塌陷、裂缝等地面情况。

5 结论

1#隧洞TBM开工于2004年6月，2010年11月全线顺利贯通；采空区注浆工程于2011年至2014年进行，2013年12月完成全部钻孔、注浆工作，6个月后完成了灌浆质量检测工作，2014年10月通过单位工程及合同工程完工验收；引黄北干线工程于2011年9月16日全线建成并通水。采空区处治后，隧洞工程已运行6年多，各种观测、监测数据显示一切正常，由此得出隧洞安全运行得到保障。

水工隧洞通过煤矿采空区在国内尚属首次，希望本文对以后类似工程具有参考和借鉴作用。